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影响钢筋混凝土耐久性的因素及措施【摘要】通过对国内外混凝土工程耐久性现状研究，从氯盐引起的钢筋锈蚀、混凝土的碳化、冻融破坏、混凝土碱集料反应等四个方面论述了影响混凝土结构耐久性的因素及其对混凝土的破坏机理，并针对性地提出预防的措施。【关键词】钢筋混凝土；耐久性；影响因素；措施0.前言长期以来，人们一直认为混凝土是非常耐久的材料，直到20 世纪70 年代末期， 发达国家才逐渐发现原先建成的基础设施工程在一些环境下出现过早损坏。美国许多城市的混凝土基础设施工程和港口工程建成后2030 年，甚至在更短的时期内就出现劣化。我国建设部近年所作的一项调查表明，国内大多数工业建筑物在使用2530 年后即需大修，处于严酷环境下的建筑物使用寿命仅1520 年。当前，我国的基础设施建设工程规模宏大，投入资金每年高达2万亿元人民币以上，约3050 年后，这些工程将进入维修期，所需的维修费或重建费用将更为巨大。有专家估计，我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可延续20 年，由于忽视耐久性问题，迎接我们的还会有“大修”20 年的高潮，这个高潮可能不用很久就将到来，其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。因此，提高混凝土耐久性，延长工程使用寿命，尽量减少维修重建费用是建筑行业实施可持续发展战略的关键。1.影响钢筋混凝土耐久性的因素及其防范措施所谓混凝土结构的耐久性是指该种结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，保持其自身工作能力的性能。混凝土结构根据所处环境的不同可以划分为一般大气环境、海洋环境、土壤环境及工业环境等。影响混凝土耐久性的原因错综复杂，除去社会因素、人为因素外，技术方面的主要因素有四个方面。下面做逐一介绍，并针对其破坏机理提出预防措施。1.1 氯盐引起的钢筋锈蚀及防范措施1.1.1 锈蚀原因分析混凝土中的钢筋锈蚀一般是电化学锈蚀。电化反应的必要条件是钢筋表面呈活化状态且同时存在水和CL-。混凝土保护层碳化导致碱度降低是使钢筋表面活化的主要因素，CL-侵入也可使钢筋表面钝化膜迅速破坏。根据钢筋锈蚀区的分布将钢筋锈蚀分为两类：其一，裂缝处锈蚀。构件混凝土表面可能由于荷载作用产生结构性裂缝，或因干缩、湿度应力、碳化、碱集料反应等产生非结构性裂缝。当环境中的水、氧、CL-沿裂缝侵入时，造成裂缝处的钢筋产生锈蚀。其二，普遍锈蚀。钢筋当混凝土碳化至表面时，一旦存在水、氧、CL- 等条件时，首先在裂缝处出现钢筋坑蚀，_进而发展为钢筋横向的环状锈蚀，最终沿钢筋纵向扩展为片状锈蚀。成片的锈蚀因其体积膨胀导致混凝土沿钢筋布置方向发生混凝土保护层裂缝。随着钢筋锈蚀逐渐加速，裂缝扩展，混凝土与钢筋之间的粘结力下降，最终结构的力学性能开始下降，对于预应力构件，可能在钢筋锈蚀表现不严重的情况下突然倒塌。1.1.2 采取的措施1.1.2.1 最大限度提高混凝土的密实性。优质混凝土、密实混凝土、高性能混凝土等，都能提高阻挡CL-侵入混凝土中的能力，减缓CL-的扩散速度，从而延长了结构物的使用寿命。1.1.2.2 增加混凝土保护层厚度。在同样环境条件下，混凝土的水灰比越低和更加密实，CL-在混凝土中的浓度（含量）随之明显降低，并随混凝土的深度（厚度）的增加而衰减越快，这就说明密实的混凝土再适当增加保护层厚度，对阻止CL-的扩散更有效。但对保护层厚度从设计和施工方面都有规范要求，就防止氯盐来讲，提高保护层厚度来防止氯盐破坏也是一项有效的措施，施工过程中，在氯盐的环境中可以适时地采取这种方法，加以提高混凝土防止氯盐侵蚀的能力。1.1.2.3 最大限度地防止混凝土裂缝的产生。混凝土的裂缝（宏观、微观）是影响钢筋锈蚀和混凝土耐久性最重要因素之一。由于混凝土包含材料、施工等众多因素，在实际工程中，完全避免裂缝是很难做到的，或者说，到目前为止，混凝土裂缝的存在是不可避免的。一些国家的规程、规范中对于裂缝有严格规定，如美国混凝土学会（ACI222）规定， 对于使用化冰盐的环境， 混凝土裂缝应小于0.007 英寸（ 约0.18mm）； 对于海洋环境， 混凝土裂缝应小于0.0006 英寸（约0.15mm）。为了防止和减缓CL-的危害，这些限制性规定是十分重要和必要的。1.2 碳化引起的钢筋锈蚀及防范措施1.2.1 锈蚀原因分析碳化引起的钢筋锈蚀发生在一般大气环境， 锈蚀现象十分普遍，是混凝土耐久性设计中首先要防止的损伤。在混凝土的弱碱环境中，钢筋表面生成一种非常致密的稳定的氧化膜（称钝化膜），保护钢筋免于生锈。但大气中的CO2通过混凝土的孔隙溶解于毛细管中的液相，并与水泥水化产生的碱性物质反应，生成中性的CaCO3，使混凝土的碱度降低，在适当的环境下导致钢筋脱钝生锈。钢筋脱钝生锈后是原体积的3 倍以上，引起混凝土保护层顺筋胀裂、脱落，钢筋与混凝土之间黏着力下降，锈蚀进一步引起钢筋截面损失、力学性能降低，刚度、承载力逐步下降，从而影响结构的适用性和安全性。所以说，混凝土的碳化与混凝土结构的耐久性密切相关，是衡量钢筋混凝土结构可靠度的重要指标。故而，防止碳化引起的钢筋锈蚀对于提高混凝土耐久性显得尤其重要。1.2.2 采取的措施1.2.2.1 增大混凝土保护层厚度，提高混凝土抗碳化能力。钢筋外留下足够的混凝土保护层厚度是简单有效的方法，混凝土保护层厚度可以从两个方面控制钢筋锈蚀。首先，保护层厚度加大，碳化引起的钢筋锈蚀时间就可以推后；其次，不论对何种原因引起的钢筋锈蚀，只要有氧气扩散控制的腐蚀过程，保护层厚度的加大，都会减慢锈蚀速度。在施工过程中，适当加大混凝土保护层厚度，可以提高混凝土的抗碳化能力。1.2.2.2 使用密实性好的混凝土。混凝土越密实，水的渗入就越困难，混凝土碳化就越不容易发生。施工过程中，我们可以采用三个措施对混凝土密实性加以控制：在混凝土配比中，确保使用足够的水泥用量，足够的水泥用量是混凝土密实的一个前提保证；搅拌混凝土过程中，尽量降低水灰比，同样的配比，减低水灰比可以使混凝土更加密实；在混凝土搅拌过程中，采用添加减水剂，减水剂的使用同样可以提高混凝土的密实性能。以上三种方法都可以提高混凝土的密实度，都可减缓碳化速度，提高混凝土的抗碳化能力。1.2.2.3 混凝土表面覆盖面层。此种方法可减缓或隔离CO2向混凝土内部渗透，大大提高混凝土抗碳化能力，在施工过程中，混凝土表面覆盖面层的方法有以下几种：薄层涂料。在腐蚀环境中，可选用薄层涂料作为保护混凝土中钢筋的措施。复合型涂层和厚涂层。以沥青、环氧沥青、环氧煤加焦油为基的复合型或厚涂层，可用于地下、水下部分混凝土结构的防护。渗透型涂层。能够渗透到混凝土内的硅烷类涂料，可以作为保护混凝土中钢筋的措施。水泥基聚合物砂浆层。在结构和施工条件允许的情况下，可选用水泥基聚合物砂浆层作为保护混凝土和钢筋的措施。这几种方法都能提高混凝土的抗碳化能力，并且在施工过程中都较为常用。1.3 冻融破坏原因分析及采取措施1.3.1 冻融破坏原因分析混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的毛细孔多孔体。在拌制混凝土时，为了得到必要的和易性，加入的拌和用水总要多于水泥的水化水，这部分多余的水就会以游离水的形式滞留于混凝土中形成连通的毛细孔，并占有一定的体积，另外，还有一些水泥水化后形成的胶凝孔。这种毛细孔的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要因素，因为水遇冷冻结成冰后会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。当混凝土处于饱水状态时，毛细孔中的水结冰，胶凝孔中的水处于过冷状态，这样使得胶凝孔中的水向毛细孔中冰的界面处渗透，于是在毛细孔中又产生一种渗透压力。此外，胶凝孔向毛细孔渗透的结果必然使毛细孔中冰的体积进一步膨胀。由此可见，处于饱水状态的混凝土受冻时，其毛细孔壁同时承受膨胀和渗透两种压力。当这两种压力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会开裂。在反复冻融循环后，混凝土中的裂缝会互相贯通，其强度也会逐渐减低，最后甚至完全丧失，使混凝土由表及里遭受破坏。1.3.2 采取的措施1.3.2.1 掺用优质引气剂。在工程实践中发现：引气剂掺量一定时，随着混凝土拌合物坍落度增大，混凝土含气量的变化呈抛物线形状。混凝土用水量一定时，引气剂掺量越大，混凝土坍落度就越大；同萘系减水剂复合使用时，将引起混凝土含气量一定程度的下降，对防止冻融破坏十分有效。1.3.2.2 控制混凝土的水灰比，使水灰比不超过一定值（如0.5）。水灰比对新拌混凝土塑性收缩裂缝面积和水分蒸发速率都有影响。结果表明，水泥和集料用量一定的条件下，在0.350.65 范围内，混凝土拌合物的水分蒸发速率随水灰比的增加而增大；混凝土塑性收缩面积最大值对应的水灰比约为0.5，当水灰比小于0.5 时，混凝土塑性收缩面积随水灰比的提高而增大，当水灰比大于0.5 时，混凝土塑性收缩面积随水灰比的提高而减小。混凝土中用水量要比水泥本身水化用水量大的多，一般情况下，水泥水化只需要水泥量的25%,多余的水用来满足流动性要求，水泥硬化后，水泥水化消耗掉本身重量的25%的水，剩余的水将会挥发到空气中，剩余的水挥发后，在混凝土内部将会出现水挥发后留下的通道，正是这些通道对以后混凝土受冻融破坏埋下了隐患，所以控制混凝土的水灰比对防止混凝土冻融破坏也是一个有效途径。1.3.2.3 控制混凝土中最低胶凝材料（水泥等）用量。这种措施也可以作为防止混凝土冻融破坏一种方法。但是在施工过程中也存在一定的缺陷，因为控制最低的水泥用量对混凝土结构物的强度势必会造成一定的影响。笔者在此提出此种方法，就是说明在混凝土施工过程中，随着水泥用量的增加混凝土结构物抗冻融性的能力就会减小。在施工过程中应引起注意，适当控制水泥用量。1.3.2.4 掺加高效减水剂。在保证混凝土拌和物所需流动性（工作性）的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混凝土的总孔隙率，特别是毛细孔隙率大幅度降低。掺入高效活性矿物掺料，如硅灰、粉煤灰等，改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成，使水泥石结构更为致密，有效地阻断可能形成的渗透通道，提高混凝土强度，增强混凝土自身抵抗环境侵蚀破坏的能力等。1.4 减-集料反应及预防措施1.4.1 减集料反应的原因分析混凝土碱集料反应被许多专家称为混凝土的“癌症”。碱集料反应是指混凝土骨料中某些活性矿物与混凝土微孔中的碱溶液产生的化学反应。碱主要来源于水泥熟料、外加剂， 骨料中活性材料主要是SiO2 和硅酸盐、碳酸盐等。混凝土碱集料反应分为三种：碱硅反应，碱碳酸盐反应和碱硅酸盐反应。其中碱硅反应最为常见。碱集料反应产生的碱硅酸盐等凝胶遇水膨胀，将在混凝土内部产生较大的膨胀应力，从而引起混凝土开裂。混凝土骨料在混凝土中呈均匀分布，故裂缝首先在混凝土表面无序、大量产生，随后将加速其他因素的破坏作用而使混凝土耐久性迅速降低。1.4.2 减集料反应预防措施1.4.2.1 减小混凝土构件周围的湿度。有试验证明，若混凝土构件四周平均湿度小于60%，如室内正常环境，则发生减集料反应的概率很小。所以防水是预防减集料反应发生的重要措施之一。在施工完毕后，尽可能减小构件四周的湿度，以达到降低减集料反应发生的概率。1.4.2.2 控制混凝土材料。在混凝土搅拌之处，应注意选材用料。首先要选用非活性骨料；二是尽量使用低减水泥，水泥的含碱量可以用试验结果测得；三是使用锂盐抑制剂；四是可加入矿物掺和料等。当使用非活性骨料时，碱集料反应自然不会发生；当使用活性骨料时，控制混凝土的碱含量成为关键。使用低减水泥（Na2Oe%0.6%的水泥）可方便地将混凝土的减含量控制在3Kg/m3 以下；若无低减水泥可用，则使用矿物掺和料成为必须措施。目前，粉煤灰、水淬高炉矿渣、硅灰等是用量最多的用来抑制减集料反应发生的掺和料。其抑制减集料反应发生的机理还在不断的探索研究当中，一般认为它除了起到稀释混凝土的减浓度外， 更重要的是通过化学作用降低了混凝土孔隙溶液中的OH-浓度，且生成了更易溶K+、Na+离子的水化产物，减少了用来发生减集料反应的有效碱。总之，这几种预防措施都是从选材用料方面考虑的，在施工过程中，可以很好的应用并加以控制，能够达到预防减集料反应发生的目的。由此可见，减集料反应是发生在活性骨料和混凝土孔隙高减性溶液之间的一种内部膨胀性反应，其机理十分复杂，经世界多个国家将近70 年的研究仍有很多遗留问题需要不断解决。我国目前许多地方缺乏骨料活性的试验数据，不少人员对减集料反应造成的破坏现象还缺乏直观的认识。但越来越多的工程技术人员认识到，只要在新建混凝土工程中，采取一定的防范措施，使活性骨料、减、足量的水三个条件无法同时满足，这种破坏是可以防止的。2.结束语目前，我国正处在空前规模的基础设施建设高潮时期，钢筋混凝土结构仍是主体。对于设施寿命年限的要求也在不断提高（如50年或上百年）。而现在已经有许多已建工程的混凝土耐久问题日益突出，混凝土结构耐久性问题已十分严重，这应该引起每一名从业人员的高度重视。从设计方面，应进一步明确使用年限，针对影响混凝土结构耐久性的主要因素，结合工程具体情况，